DE3101056C2

DE3101056C2 -

Info

Publication number: DE3101056C2
Application number: DE3101056A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. 7056 Weinstadt De Stephan; Heinz Dipl.-Ing. 7035 Waldenbuch De Rieker
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1981-01-15
Filing date: 1981-01-15
Publication date: 1987-05-21
Also published as: FR2497738A1; JPS57137755A; GB2091358B; DE3101056A1; GB2091358A; US4564906A; SE8200184L; IT8247503A0; FR2497738B1; IT1147551B

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Ermittlung von Schaltempfehlungen oder Umschaltsignalen an einem von einem Verbrennungsmotor angetriebenen und mit einem Getriebe mit abgestuften Gängen versehenen Kraftfahrzeug, insbesondere einem Nutzfahrzeug, mit Meßfühlern zur Erfassung der Motordrehzahl und weiterer Fahrzeugbetriebsgrößen wie Motormoment, Fahrzeuggeschwindigkeit u. dgl., einer Einrichtung zur Berücksichtigung der Fahrzeugmasse und einem Rechenwerk zur Verarbeitung der erfaßten Betriebsgrößen.

Eine derartige Einrichtung ist aus der DE-OS 19 57 131 bekannt. Dort ist ein selbsttätig schaltendes Getriebe beschrieben, bei dem die Umschaltpunkte mit Hilfe eines Rechengerätes in Abhängigkeit von der Motordrehzahl, der Fahrzeuggeschwindigkeit und anderen Beriebsgrößen des Fahrzeugs berechnet werden. Zur Berücksichtigung der Fahrzeugmasse sind bei der bekannten Einrichtung innerhalb des Rechengerätes bestimmte Bedingungen vorgegeben, mit deren Hilfe in Abhängigkeit von Drehzahlverhältnissen und Schlupfverhältnissen die Umschaltpunkte des Getriebes verändert werden. Diese Ermittlung der Fahrzeugmasse ist relativ aufwendig und vor allem ungenau.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Ermittlung von Schaltempfehlungen oder Umschaltsignalen zu schaffen, mit deren Hilfe es möglich ist, in einfacher Weise und unter Berücksichtigung der Fahrzeugmasse eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs durch optimale Umschaltungen des Getriebes zu erreichen.

Gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art die Einrichtung zur Berücksichtigung der Fahrzeugmasse ein vom Fahrer betätigbarer Schalter zur Abgabe eines der Fahrzeugmasse entsprechenden Signals an das Rechenwerk ist, welches dieses Signal zur Berechnung von Fahrbahnsteigungen bzw. -gefällen heranzieht.

Aufwendige Berechnungen zur Ermittlung der Kraftfahrzeugmasse, die meist nur unbefriedigende Ergebnisse bringen, sind nicht erforderlich. Mit Hilfe des vom Fahrer betätigbaren Schalters kann die Kraftfahrzeugmasse in einfacher Weise äußerst genau eingestellt werden. Mit Hilfe der Kraftfahrzeugmasse ist es dann möglich, insbesondere auch bei Fahrbahnsteigungen und -gefällen, die optimalen Umschaltpunkte für das Getriebe zu ermitteln.

In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist der Verbrennungsmotor mit einer Anlage zur Kraftstoffeinspritzung und mit einem Meßfühler versehen, der induktiv die Bewegung der Düsennadel der Einspritzdüse abtastet und dessen Ausgangssignal als Start- bzw. Stopsignal für eine Zeitmessung dient. Durch diese Maßnahme ist es in einfacher Weise möglich, ausgehend von der Zeitmessung das Drehmoment des Motors zu bestimmen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung, die in der Zeichnung dargestellt ist.

Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Motor-Getriebe- Kombination mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung,

Fig. 2 ein schematisches Zugkraft-Geschwindigkeits-Diagramm,

Fig. 3 ein Leistungs-Drehzahl-Diagramm mit der Kurve optimalen Wirkungsgrades,

Fig. 4 ein Leistungsdrehzahl-Diagramm mit dem erfindungsgemäß vorgesehenen optimalen Bereich,

Fig. 5 ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm mit dem erfindungsgemäß vorgesehenen optimalen Bereich,

Fig. 6 ein Leistungs-Drehzahl-Diagramm nach Fig. 3,

Fig. 7 eine schematische Darstellung der Bestimmung der Getriebeübersetzung,

Fig. 8 ein Diagramm des Motordrehmoments in Abhängigkeit der Spritzdauer und der Motordrehzahl.

In der Fig. 1 ist mit 1 ein Motor bezeichnet, der über eine Kupplung 3 und ein Getriebe 2 auf die Antriebsachse 11eines Kraftfahrzeuges wirkt. Zur Ermittlung des Betriebspunktes einer solchen Motor-Getriebe-Kombination ist erfindungsgemäß eine Einrichtung vorgesehen, die einen Meßfühler 7 zur Bestimmung der Motordrehzahl (bzw. der Getriebeeingangsdrehzahl), einen Meßfühler 9 zur Bestimmung der Getriebeausgangsdrehzahl, einen Schalter 10 zur Bestimmung der Fahrpedalstellung (kick-down-Schalter), einen Meßfühler 13 zur Bestimmung der Spritzdauer an den Einspritzdüsen, oder alternativ zum Meßfühler 13 einen Meßfühler 8 zur direkten Bestimmung des Motordrehmomentes sowie einen Schalter 5 zur Vorgabe der Fahrzeugmasse aufweist, deren Signale einem Rechner 6 zugeführt werden, welcher aus den ihm zugeführten Werten Schaltsignale ermittelt, die mit Hilfe einer optischen oder akustischen Signaleinrichtung 12 dem Fahrer eine Schaltempfehlung vermitteln können. Zu diesem Zweck kann die Anzeige 12 im Führerhaus eines Kraftfahrzeuges z. B. im Bereich des Armaturenbrettes untergebracht werden, so daß sie vom Fahrer jederzeit gesehen werden kann. Die Schaltsignale können aber ebenso zur Steuerung eines automatischen Getriebes verwendet werden.

Die Fig. 2 und 3 verdeutlichen, welchen Einfluß der gewählte Gang auf den Treibstoffverbrauch des Motors ausübt. Das Diagramm in Fig. 2 enthält als Beispiel die Zugkraft F eines Nutzfahrzeuges in vier verschiedenen Gängen (6, 7, 8 und 9). Für die eingezeichnete Fahrwiderstandslinie läßt sich ablesen, daß mit dem Fahrzeug eine Geschwindigkeit v₀ in den Gängen 7, 8 und 9 gefahren werden kann. In Fig. 3 ist die Motorleistung P des Fahrzeuges bei Vollast in Abhängigkeit von der Motordrehzahl n _M dargestellt. Ferner enthält das Diagramm die Kurve des minimalen, leistungsbezogenen Kraftstoffverbrauches b _min (maximaler Motorwirkungsgrad), an der sich ablesen läßt, bei welcher Drehzahl der Motor eine bestimmte Leistung mit kleinstem Kraftstoffverbrauch abgibt. Überträgt man in dieses Diagramm den Betriebspunkt F _x aus Fig. 2 mit den entsprechenden Getriebeübersetzungen des 7. bis 9. Ganges, so ergeben sich die Punkte F₇, F₈, F₉ und es läßt sich unschwer erkennen, daß der 9. Gang optimale Kraftstoffverbrauchsverhältnisse ergibt, während im 8. und vor allem im 7. Gang die gleiche Motorleistung P mit einem unerwünscht hohen Kraftstoffverbrauch verbunden ist.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, den über die verschiedenen Meßwerte ermittelten Betriebspunkt dahingehend zu überprüfen, ob er in dem in Fig. 4 gezeigten Leistungsdiagramm in einem Bereich liegt, der durch die Kurve maximalen Wirkungsgrades b _min bestimmt ist und der andererseits mit den vorhandenen Getriebeübersetzungen abgedeckt werden kann. Dieser optimale Betriebsbereich I ist so ausgebildet, daß seine horizontale Ausdehnung - ausgehend vom gerade eingelegten Gang - dem Getriebesprung zum nächst höheren bzw. nächst niederen Gang proportional ist und seine Grenzen H und R verbrauchssymmetrisch zur Kurve maximalen Motorwirkungsgrades b _min verlaufen. Das bedeutet, daß sich auf beiden Grenzen R und H bei gleicher Motorleistung der gleiche Kraftstoffverbrauch einstellt. Für die unterschiedlichen Getriebesprünge zwischen den einzelnen Gängen sind ebenso viele Bereiche vorgesehen, von denen nur derjenige zwischen dem 8. und dem 9. Gang in Fig. 4 gezeigt ist.

Dieser optimale Bereich I wird durch die Schaltgrenzen H und R, die Ordinaten n₁ und n₂, die Abszissenachse P=0 sowie den Abschnitt der Vollastkurve zwischen n₃ und n₄ begrenzt. Außerhalb dieses optimalen Bereiches liegen hinsichtlich des Kraftstoffverbrauches ungünstigere Bereiche II und III, wobei der Bereich II durch die Hochschaltgrenze H, die Ordinate n₂, die Abszissenachse P=0 und die Abregelkurve bei Höchstdrehzahl begrenzt wird. Der Bereich III wird durch die Vollastkurve, die Ordinate n₁ und die Rückschaltgrenze R begrenzt. Über die in Fig. 1 gezeigten Sensoren ermittelt das Rechenwerk den momentanen Betriebspunkt der Motor-Getriebe-Kombination und prüft, in welchem der Bereiche I, II oder III der Motorbetriebspunkt liegt. Da die Schaltgrenzen H und R um einen Getriebesprung gegeneinander versetzt sind, ist gewährleistet, daß der Motor die Leistung eines jeden Betriebspunktes, der unterhalb der Schaltgrenze H liegt, auch im nächsthöheren Gang aufbringen kann. Es kann sich daher nie der Fall einstellen, daß der Betriebspunkt des Motors vom ungünstigen Bereich II in den ungünstigen Bereich III durch den Schaltvorgang wandert, vielmehr rückt der Betriebspunkt nach Vollzug eines Schaltsignales immer näher an die Kurve minimalen Kraftstoffverbrauches b _min, als dies vor dem Schalten der Fall war.

Die Schaltgrenzen R und H können einfach empirisch ermittelt werden und werden im Speicher des Rechners abgelegt, da sie eine für die jeweilige Motor-Getriebe- Kombination charakteristische Größe darstellen, deren Verlauf durch die jeweilige Motor-Getriebe-Kombination feststeht.

Die so festgelegten Grenzen können in Abhängigkeit der Fahrzeugbeschleunigung und der Fahrbahnsteigung verschoben werden. Liegt der Motorbetriebspunkt auf dem Teil der Rückschaltgrenze, der mit der größtmöglichen Motorleistung verbunden ist (außerhalb des Bereiches III), so läßt sich daraus schließen, daß das Fahrzeug stark beschleunigt oder eine extreme Steigung befahren werden soll (vgl. Fig. 4). Als zusätzliches Kriterium zur Erkennung dieses Betriebszustandes kann die Fahrpedalstellung (kick-down) herangezogen werden, wozu dort ein Schalter 10 angeordnet ist. Bei einer Annäherung der Motordrehzahl von unten an den Wert n₃ ist ein Zurückschalten nur dann noch sinnvoll, wenn die maximale Motorleistung für das Befahren von Steigungen mit hohen Geschwindigkeiten benötigt wird. Bei Beschleunigungsvorgängen lohnt sich ein Zurückschalten bei Annäherung an n₃ nicht, da nach dem Wechsel in den nächstliegenden Gang die Drehzahl n₄ und die Schaltgrenze H rasch überschritten und damit der Bereich II erreicht würde, in dem hochgeschaltet werden soll. In diesem Falle ist es dann günstiger, den optimalen Bereich zu vergrößern, so daß eine variable Drehzahlschwelle entsteht, die z. B. durch die folgende Beziehung ermittelt werden kann, wobei x mit steigender Beschleunigung zunimmt und sich vorzugsweise zwischen den Grenzen x=1 (bei Beschleunigung 0) und x=1+½i _sp (bei starker Beschleunigung) bewegt. Die Größe i _sp entspricht dem Getriebesprung zum nächst niederen Gang.

Beim Befahren von Steigungen können die Schaltzeiten mechanischer Getriebe bei einem Gangwechsel ein Absinken der Fahrzeuggeschwindigkeit bewirken. Aus diesem Grund ist es günstig, die Schaltgrenzen variabel in Abhängigkeit der Fahrbahnsteigung zu verschieben. In diesem Fall darf also erst bei einer höheren Drehzahl als durch die ursprüngliche Schaltgrenze H bestimmt, in den nächst höheren Gang gewechselt werden. Der Motor wird sonst im ungünstigen Bereich III betrieben oder er kann die geforderte Leistung überhaupt nicht mehr abgeben, weil die Vollastkurve überschritten werden müßte. Wenn umgekehrt auf Gefällstrecken die Fahrzeuggeschwindigkeit während eines Schaltvorganges zunimmt, so können die Punkte der Schaltgrenze H zu kleineren Motordrehzahlen hin verschoben werden. Somit beeinflussen Fahrbahnsteigungen und Gefälle die horizontale Ausdehnung des verbrauchsgünstigen Bereiches I. Zur Ermittlung der Fahrbahnsteigungen und Gefälle können die Meßgrößen des Motordrehmomentes, der Fahrzeuggeschwindigkeit (Getriebeausgangs-Drehzahl) und der Fahrzeugbeschleunigung herangezogen werden, die mit Hilfe der bekannten Bewegungsgleichungen eine Bestimmung dann erlauben, wenn auch noch die Fahrzeugmasse berücksichtigt wird. Diese kann entweder mit einem weiteren Sensor gemessen oder über eine externe Eingabe variabel dem Programmspeicher zugeführt werden. Hierzu kann z. B. im Fahrerhaus eines Kraftfahrzeuges ein Schalter 5 angebracht sein, der in Abhängigkeit des Beladungszustandes des Kraftfahrzeuges z. B. in die drei Stellungen "0, 1/2, 1" gebracht werden kann. Ein solcher Stufenschalter 5 erlaubt es, die Fahrzeugmasse in einfacher Weise zu berücksichtigen.

Da es für die praktische Anwendung des Verfahrens vorteilhafter ist, anstelle der Motorleistung das Motordrehmoment zu bestimmen, wird bei der Durchführung des Verfahrens überprüft, ob der momentane Betriebspunkt in einem optimalen Bereich liegt, der so dargestellt werden kann, wie dies aus Fig. 5 zu erkennen ist. Im Gegensatz zum Leistungs-Diagramm geht dabei die Abszissenparallele, auf der sich der Motorbetriebspunkt im Leistungs-Diagramm beim Schalten bewegt, in eine Hyperbel über.

Zur Erstellung eines Drehmoment-Drehzahl-Diagrammes, wie es Fig. 5 zeigt, ist es nötig, die Drehzahl sowie das Motordrehmoment über Sensoren zu messen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Motordrehzahl induktiv mit dem Meßfühler 7 (vergl. Fig. 1) am Zahnkranz der Schwungscheibe zu messen. Die Messung des Motordrehmomentes läßt sich indirekt über die Messung der Spritzdauer durchführen, die bei Motoren mit Kraftstoffeinspritzung über die Öffnungszeit der Einspritzdüsen vorgenommen werden kann. Dies kann über einen Meßfühler 13 geschehen, der die Bewegung der Düsennadel induktiv abtastet. Er liefert ein Start-Stop-Signal für die Zeitmessung, die einfach mit elektronischen Mitteln im Rechenwerk und mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden kann. Alternativ dazu kann das Motordrehmoment aber auch mit Hilfe einer bekannten Drehmomentmeßwelle 8 gemessen werden.

Welchen Einfluß ein unterschiedlicher Getriebewirkungsgrad in den einzelnen Gängen (abhängig von Motorleistung und Motordrehzahl) auf die Festlegung des optimalen Bereiches I hat, ist aus der Fig. 6 zu erkennen. Ein solcher unterschiedlicher Getriebewirkungsgrad kann im Kurvenverlauf der Schaltgrenzen berücksichtigt werden.

Nach dem Hochschalten vom Gang (i) in den Gang (i+1) wird bei konstanter Zugkraft des Fahrzeuges (gleiche Steigung, gleiche Fahrzeuggeschwindigkeit) eine kleinere Motorleistung benötigt, wenn der Wirkungsgrad im Gang (i+1) größer als im Gang (i) ist (Δη _G<0). Dies hat zur Folge, daß im Hinblick auf den kleinstmöglichen Kraftstoffverbrauch schon bei einer kleineren Drehzahl hochgeschaltet werden soll, als die ursprüngliche Schaltgrenze H angibt.

Dadurch wird der Bereich I schmäler. Umgekehrt dehnt sich dieses Leistungsband in horizontaler Richtung weiter aus, wenn der Getriebewirkungsgrad im Gang (i+1) kleiner als im Gang (i) ist (Δη _G<0). Sofern die Wirkungsgrade der einzelnen Gänge nur geringfügig voneinander differieren, genügt es, den Verlauf der Schaltgrenze H entsprechend anzupassen. Bei größeren Abweichungen wird auch der Teil der Schaltgrenze R verschoben, der nicht mit der Vollastkurve identisch ist, so daß beide Schaltgrenzen soweit wie möglich "verbrauchssymmetrisch zur Kurve maximalen Motorwirkungsgrades" verlaufen.

Die Messung der Getriebeübersetzung wird erfindungsgemäß dadurch vorgenommen, daß, wie dies aus Fig. 7 zu ersehen ist, das Rechenwerk zwei Zähler Z _G und Z _M umfaßt, denen die Getriebeausgangsdrehzahl n _G sowie die Getriebeeingangsdrehzahl (bzw. Motordrehzahl) n _M zugeführt werden. Auf ein gemeinsames Startsignal hin beginnen die Zähler zu laufen, wobei der Zähler Z _G dann dem Zähler Z _M ein Top-Signal gibt, wenn die Getriebeausgangsdrehzahl n _G einen bestimmten Wert z _G erreicht hat. Der Stand z _M des Zählers Z _M entspricht dann gerade der Getriebeübersetzung i _G, wobei das Ergebnis unabhängig von derr Fahrzeuggeschwindigkeit- und -beschleunigung ist. Dies kann durch folgende Gleichungen verdeutlicht werden:

Für die Zählzeit t _z der Zähler Z _G und Z _M gilt:

Daraus folgt: Mit z _G=const. und ergibt sich

z _M∼i _G

d. h., der Zählerstand z _M ist proportional zur Getriebeübersetzung i _G.

Als Rechenwerk kann ein Mikroprozessor vorgesehen sein, der mit einem Arbeitsspeicher und einem Programmspeicher versehen ist, wobei in dem Programmspeicher die feststehenden Motor- und Getriebedaten abgelegt werden können. Hierzu zählt auch der Zusammenhang zwischen Spritzdauer (SD) und Motordrehmoment (M) in Abhängigkeit der Motordrehzahl (n _M), der in Fig. 8 als räumliche Fläche dargestellt ist und im Programmspeicher z. B. als Tabelle punktweise abgespeichert sein kann.

Durch ein solches erfindungsgemäßes Verfahren und die erfindungsgemäße Einrichtung können genauere Schaltempfehlungen gegeben werden, als dies bisher der Fall ist, da durch die erfindungsgemäße Festlegung des optimalen Bereiches I gewährleistet ist, daß nach dem Schalten sich der Betriebspunkt in jedem Falle näher an der Kurve maximalen Wirkungsgrades befindet, als dies vor dem Schaltvorgang der Fall war.

Claims

1. Einrichtung zur Ermittlung von Schaltempfehlungen oder Umschaltsignalen an einem von einem Verbrennungsmotor angetriebenen und mit einem Getriebe mit abgestuften Gängen versehenen Kraftfahrzeug, insbesondere einem Nutzfahrzeug, mit Meßfühlern zur Erfassung der Motordrehzahl und weiterer Fahrzeugbetriebsgrößen wie Motormoment, Fahrzeuggeschwindigkeit u. dgl., einer Einrichtung zur Berücksichtigung der Fahrzeugmasse und einem Rechenwerk zur Verarbeitung der erfaßten Betriebsgrößen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Berücksichtigung der Fahrzeugmasse ein vom Fahrer betätigbarer Schalter (5) zur Abgabe eines der Fahrzeugmasse entsprechenden Signals an das Rechenwerk (6) ist, welches dieses Signal zur Berechnung von Fahrbahnsteigungen bzw. -gefällen heranzieht.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei der Verbrennungsmotor eine Anlage zur Kraftstoffeinspritzung aufweist, gekennzeichnet duch einen Meßfühler (13), der induktiv die Bewegung der Düsennadel der Einspritzdüse abtastet und dessen Ausgangssignal als Start- bzw. Stopsignal für eine Zeitmessung dient.